北斗系统中与“三”有关的奥秘：卫星导航的“三球交汇”原理（北斗卫星定位原理）
文章目录
-
引言
-
I 北斗系统中与“三”有关的奥秘
-
- 卫星导航的“三球交汇”原理（北斗卫星定位原理）
- 北斗系统的“三个组成部分”
- 北斗信息服务的“三要素”
- 北斗的“三频服务”信号体制
- 北斗系统“三步走”战略
- 北斗独创的“三种轨道”混合星座
- 北斗系统的“三大特色”
-
II 知识扩展：(经度,纬度,高度)与(X,Y,Z)的区别
-
- 经度纬度高度 (LLA)
- XYZ坐标 (Cartesian Coordinates)
- 二者的特点与应用场景
引言
北斗系统的发展中也蕴含了很多与“三”有关的奥秘，包括北斗系统发展战略、系统架构、星座配置、工作原理、信号体制、服务规划、未来愿景等等诸多方面。
三生万物，万物互联。在北斗系统的作用下，互联互通会更加紧密、更加智能，万物互联时代将全面开启。
I 北斗系统中与“三”有关的奥秘
卫星导航的“三球交汇”原理（北斗卫星定位原理）
目前，国际上四大全球卫星导航系统，美国GPS、我国北斗系统、俄罗斯GLONASS和欧洲Galileo的定位原理是相同的，均是采用这种三球交汇的几何原理实现定位。
[()
北斗系统的“三个组成部分”
北斗系统由空间段、地面段和用户段三部分组成。
卫星定位系统通常由三部分组成：卫星、地面控制站和用户设备。
空间段。北斗三号系统空间段由3颗GEO卫星、3颗IGSO和24颗MEO卫星等组成。
地面段。北斗三号系统地面段包括主控站、时间同步/注入站和监测站等若干地面站，以及星间链路运行管理设施。
用户段。北斗系统用户段包括北斗及兼容其他卫星导航系统的芯片、模块、天线等基础产品，以及终端设备、应用系统与应用服务等。
北斗信息服务的“三要素”
- 位置信息(Position)
- 速度信息(Velocity)
- 时间信息(Time)
位置信息：北斗系统可向全球提供优于10米的定位服务，亚太地区定位精度达到5米。北斗系统提供的位置信息服务，输出结果为“经度、纬度、高程”或者“x，y，z”，“三个参量”。同时，通过精密单点定位、星基增强、地基增强等方式，可将定位精度提高到米级、分米级乃至厘米级。
速度信息：北斗系统提供的测速精度能力优于0.2米/秒。
时间信息：北斗系统可为用户提供优于20ns的授时服务，在此基础上利用差分授时、双向比对等技术手段，可进一步提升授时精度。
北斗的“三频服务”信号体制
北斗三号在B1、B2和B3三个频段提供B1I、B1C、B2a、B2b和B3I五个公开服务信号。其中B1频段的中心频率为1575.42MHz，B2为1176.45MHz，B3为1268.52MHz。
北斗系统“三步走”战略
- 北斗一号，解决有无 : 北斗一号是探索性的第一步，初步满足中国及周边区域的定位导航授时需求。北斗一号巧妙设计了双向短报文通信功能，这种通导一体化的设计，是北斗的独创。
1994年，启动北斗一号系统建设
2000年发射2颗地球静止轨道(GEO)卫星，建成系统并投入使用;为中国用户提供
定位、授时、广域差分和短报文通信服务；2003年，发射第3颗地球静止轨道卫星，进一步增强系统性能
- 北斗二号，区域无源 ：北斗二号在兼容北斗一号技术体制基础上，增加
无源定位体制，为亚太地区提供定位、测速、授时和短报文通信服务。
北斗二号创新性构建了的5GEO+5IGSO+4MEO的中高轨混合星座架构，为全世界卫星导航系统发展提出了新的中国方案。
- 2004年，启动北斗二号系统建设；
- 2012年，完成14颗卫星、即5颗地球静止轨道卫星、5颗倾斜地球轨道卫星(IGSO)和4颗中圆地球轨道卫星(MEO)的发射组网。
- 北斗三号，全球服务 : 北斗三号系统是由3GEO+3IGSO+24MEO构成的混合导航星座，系统继承有源服务和无源服务两种技术体制，为全球用户提供基本导航（定位、测速、授时）、全球短报文通信和国际搜救服务，同时可为中国及周边地区用户提供区域短报文通信、星基增强和精密单点定位等服务。
- 2009年，启动北斗三号系统建设；
- 2020年，全面建成北斗三号系统。
北斗独创的“三种轨道”混合星座
北斗系统是由GEO卫星、IGSO卫星和MEO卫星三种轨道卫星组成的混合导航星座。
GEO卫星相对地球静止，轨道高度35786km，轨道倾角为0度，单星覆盖区域较大，3颗卫星可覆盖亚太大部分地区。
IGSO卫星轨道高度与GEO卫星相同，轨道倾角为55度，星下点轨迹为“8”字。
北斗MEO卫星轨道高度约21500km，轨道倾角为55度，绕地球旋转运行，通过多颗卫星组网可实现全球覆盖，北斗MEO星座回归特性为7天13圈。
北斗系统的“三大特色”
空间段采用三种轨道卫星组成混合星座，与其它卫星导航系统相比高轨卫星更多，抗遮挡能力强，尤其在低纬度地区性能优势更为明显。
提供多个频点的导航信号，能够通过多频信号组合使用等方式提高服务精度。
创新融合了导航与通信功能，具备基本导航、短报文通信、国际搜救、星基增强和精密单点定位等多种服务能力，系统功能高度集成，实现了集约高效。
II 知识扩展：(经度,纬度,高度)与(X,Y,Z)的区别
经度纬度高度 (LLA)
LLA坐标系是基于球面坐标系，用于地球表面的定位，是最常见的地理位置表示方法。
- 经度（Longitude）：东/西方向的位置，表示为从格林尼治子午线（0度）向东或向西的角度，范围是 -180度到180度。
- 纬度（Latitude）：北/南方向的位置，表示为从赤道（0度）向北或向南的角度，范围是 -90度到90度。
- 高度（Altitude）：指的是某地点相对于某个基准面（通常是平均海平面）的垂直距离。
XYZ坐标 (Cartesian Coordinates)
这套坐标系是基于直角坐标系，常用于天文学、卫星轨道计算和地球物理学中的计算和分析。
- X坐标：沿地心赤道平面，指向本初子午线（格林尼治子午线）的方向。
- Y坐标：沿地心赤道平面，指向本初子午线90度东经线的方向。
- Z坐标：垂直于地心赤道平面，指向北极方向。
二者的特点与应用场景
| 特性 | 经度纬度高度 (LLA) | XYZ坐标 (Cartesian Coordinates) |
|---|---|---|
| 坐标类型 | 球面坐标系 | 直角坐标系 |
| 表示方式 | 经度（度），纬度（度），高度（米） | X（米），Y（米），Z（米） |
| 使用场景 | 地球表面定位（如GPS导航、地图应用） | 天文学、卫星轨道计算、地理信息系统 |
| 经度/纬度 | 表示东/西和北/南方向的位置 | 不使用 |
| 高度 | 相对于平均海平面的垂直距离 | 通过X, Y, Z坐标计算得出 |
| X坐标 | 不使用 | 沿地心赤道平面，指向本初子午线方向 |
| Y坐标 | 不使用 | 沿地心赤道平面，指向东经90度方向 |
| Z坐标 | 不使用 | 垂直于地心赤道平面，指向北极方向 |
| 转换关系 | 可转换为XYZ坐标 | 可转换为经度纬度高度 |
| 常见应用 | GPS、地图、导航 | 卫星轨道计算、3D建模、地球物理学 |